AVR für absolute Beginner

• was die Abkürzung AVR bedeutet,
• was ein Mikroprofessor ist,
• was ein Mikroprofessor macht,
• wozu man ihn verwenden kann,
• was in so einem Mikroprofessor drin ist,
• wie man einen Mikroprofessor anschließt,
• wie man den Professor dafür programmieren tut,
• was einen AVR von anderen Professoren unterscheidet,
• was ein Amateur damit anfangen kann.

Was bedeutet eigentlich AVR?

Was ist eigentlich ein Mikrocontroller?

Was macht eigentlich ein Mikrocontroller?

1. lese Zustand am Eingangspin,
2. gib den gelesenen Zustand am Ausgangspin aus, und
3. starte wieder von vorne.

• es muss dem Eingangspin sagen, dass er bitte schön ein Eingang und nur zum Lesen da ist, und
• es muss den Ausgangspin dazu veranlassen, dass er Ausgang ist und dass er je nach äußerer Beschaltung Strom liefern oder auch ziehen muss.

Wozu kann man so einen Mikrocontroller verwenden?

• Jeder hat eine Bankcard. Da ist so ein Kontroller drin, der meine Kontonummer kennt und mich beim Automaten der Bank zusammen mit meiner Pin auf mein Konto zugreifen lässt. Mit dem Chip kann ich sogar bezahlen, wenn ich ihn vorher mit Geld gefüttert habe, und er vergisst meinen Kontostand auch nach Jahren nicht. Die kleinen ästhetisch wertvoll gestalteten Metallflächen dienen zur Stromversorgung und zur Unterhaltung mit dem Geldautomaten. Es trägt also heutzutage jeder einen kleinen Mikrocontroller mit sich herum.
• Etwas ganz Tolles für Semi-Profi-Wanderer: ein Schrittzähler, damit man am Ende des Tages die getätigten Schritte mit der Infrarot-Schnittstelle in eine Datenbank auf dem mitgeführten Laptop eintragen und mittels Charts sich selbst loben oder anderen gegenüber angeben kann, was man so alles geschafft hat. Ohne den Mikroprofessor wäre das Gerät ein riesiger Drahtverhau und beim Wandern hinderlich.
• Und noch was Tolles: spendiert man dem Mikrocontroller ein Antennchen, über das er funken und Funkwellenspannungen zu seiner eigenen Stromversorgung verwenden kann, dann kann man das Ganze in einen Apfel drücken und es RFID nennen. Verlässt der Apfel den Supermarkt, kommt er an einem solchen Sender vorbei, sagt dem Sender über Funk schnell, dass er ein "Bio-Apfel der Marke Rotbäckchen zu 49 Cent das Stück" ist und dass der Preis bitteschön von meiner ebenfalls RFID-fähigen Bankkarte abgebucht werden möge. Nur ein Problem ist jetzt noch zu lösen: was passiert, wenn ein hurtiger Kunde mich beim Verlassen des Supermarkts überholt und mein Bio-Apfel jetzt von seinem Konto abgebucht wird? Ein Gutes hat es: RFID-Mikrocontroller sind unverdaulich, müssen vor dem Verzehr nicht aus dem Apfel gepuhlt werden und sammeln sich zu vielen Hunderttausend in der Kläranlage an. Ob es dort mal zu einem Aufstand der unbeachteten RFID-Controller kommt?
• In jedem Auto arbeitet inzwischen eine Vielzahl an Mikroprofessoren, die von der Zündung zur Lichtüberwachung bis zur Temperatur und zum Kilometerzähler reichen. Ein Professor erlaubt uns das Öffnen der Autotür. Wenn der Mikroprofessor z. B. der Ansicht ist, dass eine Außentemperatur von +80 Grad herrscht, kann sich die Limousine auch mal weigern, den angeblich gefährdeten Motor zu starten.
• Jede Waschmaschine wird von so einem Teil gesteuert, damit die Vielfalt der Waschprogramme in ihren Abläufen korrekt den Füllstand der Maschine, die Temperaturen, die Drehrichtung des Motors, die Zuheit der Tür und überhaupt alles berücksichtigt.

Was ist in so einem Mikrocontroller drin?

• ein Programmspeicher: ein beschreibbarer und dauerhaft erhaltend bleibender Speicher für die Programmschritte, die vom Programmierer dort hineingeschrieben werden und dann den ganzen Chip beherrschen, je nach AVR-Typ sind 256 bis 65.535 Schritte zu je 16 Bits darin ablegbar,
• ein Rechenwerk, das die abgelegten Programmschritte nacheinander abholt, sieht was nun nacheinander zu tun ist und es ausführt, das wenigstens Addition und Subtraktion sowie etwa 120 weitere Grundoperationen beherrscht,
• ein Taktgenerator, der das Abholen und die Ausführung der Schritte bewerkstelligt, meistens zwischen einer bis vier Millionen Takte pro Sekunde, bei einigen AVR-Typen kann extern ein Quarz dazugeschaltet werden, der einen exakten Takt vorgibt, z.B mit 4.194.304 Schwingungen pro Sekunde (das ist 2 hoch 22 und gibt beim 22-fachen Teilen durch zwei exakt eine Schwingung pro Sekunde),
• ein Speicherbereich, den das Rechenwerk zur Ablage von Zahlen benutzen kann und der seit Urzeiten der Computertechnik als "Register" bezeichnet wird, die AVR haben davon 32 Stück zu je acht Bits, deren Inhalte gehen beim Abschalten der Betriebsspannung unwiederbringlich verloren,
• ein etwas größerer Speicherbereich, in dem Zahlen abgelegt und wieder gelesen werden können, je nach AVR-Typ weitere 64 bis 32.768 Speicherzellen zu je acht Bits, auch dessen Inhalte sind flüchtig.

• externe Pins, die entweder als Eingang oder als Ausgang geschaltet werden können und die hohe und niedrige Spannung annehmen können, als Eingang geschalteten Pins kann ein Widerstand zugeschaltet werden, der den Pin auf die Betriebsspannung zieht,
• einer bis vier Zähler zu je 8 oder 16 Bits, dem als Takt entweder
  • der Taktgenerator,
  • das entweder durch 8, durch 64, durch 256 oder durch 1024 geteilte Signal des Taktgenerators,
  • ein an einem Pin angelegtes externes Signal,
  zugeschaltet werden kann, und der über zwei Vergleicher bei bestimmten Zählerständen entweder
  • ein Ereignis auslösen, oder
  • einen externen Pin ansteuern
  kann.
• ein oder zwei Analogvergleicher, der die Spannung an zwei Pins miteinander vergleicht und das Ergebnis in einem Bit zum Auslesen bereithält,
• keinen oder 4 bis 16 Analog-zu-Digital-Wandler, die die Spannung an externen Pins messen und in eine 10-Bit breite Zahl umwandeln können (ADC),
• keine, eine oder mehrere Schnittstellen zum seriellen Empfang und Senden von Zeichen an je zwei Pins (UART),
• EEPROM-Speicher machen es möglich, irgendwelche Werte in einem nichtflüchtigen Speicherbereich abzulegen, dessen Inhalte auch nach dem Abschalten der Betriebsspannung erhalten bleiben,
• keinen oder einen 8-Bit-Multiplizierer, der zwei acht Bit breite Zahlen multiplizieren kann,
• eine Unterbrechungslogik, die bei einer Reihe von Ereignissen wie z. B.
  • den Spannungswechsel an bestimmten Eingangspins,
  • den Ergebniswechsel bei einem Analogvergleicher,
  • dem Überlaufen eines Zählers oder das Erreichen von Vergleichswerten des Zählers,
  • der fertigen Umwandlung einer Spannung, oder
  • dem fertigen Empfangs- oder Sendevorgang einer seriellen Schnittstelle,
  die Arbeit des Prozessors unterbricht, an eine programmierbare Stelle verzweigt und dort die Verarbeitung der Schritte fortsetzt. Nachdem die Unterbrechung bearbeitet ist, kehrt der Professor zu dem Schritt zurück, bei dem er unterbrochen wurde. Treten mehrere Unterbrechungen gleichzeitig auf, arbeitet der Professor diese in einer vorher festgelegten Reihenfolge ab. Diese Interruptsteuerung ermöglicht es, den Prozessor in Wartepausen in (Tief-)Schlaf zu versetzen, wo er besonders wenig Strom braucht.
• eine Logik, mit der das Programm im "vollen Lauf" von einer externen Quelle heruntergeladen und ersetzt werden kann (Update-Möglichkeit), ideal für den Hersteller von Satellitenreceivern mit Softwarefehlern, die der Nutzer selber ausbügeln muss.
• Durch Setzen eines Bits beim Programmieren kann jeder Zugriff auf den Programmspeicher unterbunden werden. Ein eingebauter Kopierschutz (nein, es gibt keine geheime Methode, mit der dies überwunden werden kann).

Wie schließt man einen Mikrocontroller an?

• natürlich aus einem Mikrocontroller ATtiny13,
• einer 5V-Spannungsversorgung,
• einem Zehngangpotentiometer, an dem der Zulass-Begehrende die geheime Stellung einstellen muss,
• einem Taster, den er drücken muss, wenn er glaubt, die geheime Stellung erraten zu haben (nach drei Mal falsch macht der Herr Professor eine Schnarchpause von zehn Minuten),
• einem Lautsprecher, der dem Einlassbegehrenden entgegenpiepst,
• einer Leuchtdiode, die in der Zwangs-Schnarchperiode blinkt,
• dem Relais, mit einer Schutzdiode gegen Hochspannungsrückschläge beim Ausschalten, das den Türöffner betätigt, wenn richtig geraten wurde.

Das Programm zum Professor

1. Nach dem Einschalten werden zuerst die Richtungen der Pins festgelegt: OC0A, PB1 und PB2 sind Ausgänge, PCINT4 ist Eingang und ADC3 ist weder Eingang noch Ausgang (Treiber abgeschaltet). Bei PCINT4 wird der eingebaute Pull-Up-Widerstand eingeschaltet, damit er nur beim Drücken der Taste auf logisch Null geht.
2. Dann ist der Tastenzustand abzufragen. Ist er Null, dann will der User programmieren. Dazu wird der AD-Wandler am Kanal 3 gestartet. Ist der fertig, wird der Wert gelesen und in das EEPROM abgelegt.
3. Alles Weitere geht interrupt-gesteuert, während der Prozessor schläft. Er wacht nur bei Tastendruck kurz auf, startet eine AD-Wandlung am Kanal 3 und pennt wieder weg. Ist die Wandlung fertig, weckt sie den Professor wieder auf, vergleicht den Wert mit dem im EEPROM gespeicherten, bei (ungefährer) Gleichheit schaltet er das Relais an, startet den Timer und legt sich wieder schlafen. Ist der Timer abgelaufen, schaltet er das Relais wieder aus.
4. Ist der Wert nicht annähernd gleich, dann wird ein Zähler bis drei gesetzt. Sind drei falsche Werte hintereinander eingesetzt worden, geht der Prozessor in den Bestrafungsmodus, schaltet die Tasterunterbrechung ab, startet den Timer im 10-Minuten-Warte-Modus, versetzt die LED in Blinkmodus und legt sich wieder schlafen. Erst wenn der Timer sagt, dass jetzt 10 Minuten um sind, schaltet er die Tasterunterbrechung wieder an und die LED auf Dauerfeuer.
5. Bei allen möglichen Gelegenheiten brauchen wir noch Piepstöne. Beim Programmieren des Sollwerts, beim erfolgreichen Öffnungsversuch, beim Falschraten und beim Ende des Penalties geben wir passende Töne auf dem Lautsprecher aus. Dazu schalten wir den Timer mit der gewünschten Schwingfrequenz ein und den Ausgang OC0A auf Torkeln (das heißt wirklich so, "toggle" in englisch). Hat der Timer lang genug getorkelt, nehmen wir den Torkler wieder raus und im Lautsprecher kehrt Ruhe ein.

Was unterscheidet AVR von anderen Mikrocontrollern?

• AVR werden ausschließlich von der Firma ATMEL hergestellt, für PICs gibt es mehrere Hersteller. Bis jetzt hat sich die Monopolsituation nicht auf die Preise ausgewirkt, obwohl seit zehn Jahren darüber spekuliert wird.
• Billige Programmierwerkzeuge für PIC sind etwas aufwändiger. Auch das Programmieren in der Schaltung selbst beherrschen die AVR besser.
• Die Befehle sind bei PIC 12 Bits breit, bei AVR 16 Bits. Daher sind AVR-Programme effektiver und schneller.

• 8polig
• 28polig
• 40polig

• Geschwindigkeit der Befehlsausführung,
• Anzahl der Befehlsworte (für optimales Programmieren),
• einigen exklusiven Dreingaben, die es in den verglichenen PICs gar nicht gibt.

Was kann der Amateur damit anfangen?